基于多尺度理论的三维编织复合材料力学性能研究

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1、工学博士学位论文基于多尺度理论的三维编织复合材料力学性能研究翟军军哈尔滨理工大学2018年6月国内图书分类号：TG324.4工学博士学位论文基于多尺度理论的三维编织复合材料力学性能研究博士研究生：翟军军导师：曾涛教授申请学位级别：工学博士学科、专业：材料学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex：TG324.4DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringInvestigationofMechanicalPropertiesof3DBr

2、aidedCompositesBasedonMulti-scaleTheoryCandidate：ZhaiJunjunSupervisor：Prof.ZengTaoAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpecialty：MaterialsScienceDateofOralExamination：June,2018University：HarbinUniversityofScienceandTechnology哈尔滨理工大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文《基于多尺度理论

3、的三维编织复合材料力学性能研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。作者签名：日期：年月日哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权书《基于多尺度理论的三维编织复合材料力学性能研究》系本人在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨

4、理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密□，在年解密后适用授权书。不保密。（请在以上相应方框内打√）作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日基于多尺度理论的三维编织复合材料力学性能研究摘要三维编织复合材料是基于二维编织技术发展起来的一种具有独特结构的高新材料，具有高比强度、高比刚度、耐烧蚀性、整体性、可设计性等优点。在航空、航天、国防、生物医疗和体育用品等工业技术应用领

5、域倍受关注。近30年来，随着纤维编织技术的日益成熟及应用领域的不断扩展，三维编织结构复合材料已从过去的次承力结构逐渐发展成为主承力结构，在各种系统结构中发挥越来越大的作用。三维编织复合材料整体结构力学性能研究已经成为编织结构设计及应用的研究热点。然而，由于三维编织复合材料细观结构的复杂性，从材料的细观机制出发，研究三维编织复合材料及其结构的力学行为、损伤演化规律，还有很多工作要做。本文将从三维编织复合材料细观构型出发，采用细观和宏观尺度相结合的方法，针对三维四向编织复合材料整体结构刚度和强度、粘弹性性能、热传导性能和热机械行为四方面进行数值和实验研

6、究。由于三维编织复合材料细观结构的复杂性，对编织复合材料整体结构力学响应分析时，传统的有限元离散将产生大量的节点自由度，从而导致过量的计算机内存需求。本文提出一种能够快速、高效预报编织复合材料整体结构强度的多尺度数值计算方法，建立三维四向编织复合材料的宏细观多尺度有限元模型，在此基础上对三维编织复合材料的刚度及三点弯曲工况下结构的宏细观应力场分布及结构弯曲强度进行研究。此外，研究编织几何参数对材料有效弹性常数及结构弯曲强度的影响，通过实验结果对该多尺度方法的数值计算结果进行有效验证。该方法可推广到三维多向编织复合材料，甚至许多周期性复合材料力学性能

7、的研究中，为复合材料的优化设计提供参考。基于多尺度理论，推导了预报三维四向编织复合材料粘弹性性能的有限元方程，建立了宏观结构模型、细观单胞模型及微观纤维束模型，在Laplace域内计算不同尺度下三维四向编织复合材料的等效松弛模量。通过最小二乘法数值拟合预报三维四向编织复合材料等效松弛模量在时间域内的值，并讨论编织角度、松弛时间对材料粘弹性性能的影响。同时，结合一定的松弛边界条件对宏观、细观和微观尺度下应力场进行数值预报。本文基于多尺度数值计算方法，建立了三维四向编织复合材料的宏细观-I-多尺度热传导行为数值预报模型，计算了三维四向编织复合材料的等效

8、热传导系数，讨论了编织结构参数对三维四向编织复合材料热传导性能的影响。通过施加两类不同的边界条件(绝热边界和非绝热边界)，